Detektorer för strålningsmätning

Vad mäter man?

Strålningsfysikaliska mått

Aktivitet (Bq)

Aktivitet per areaenhet (Bq/cm2)

Absorberad dos (Gy)

Effektiv dos (Sv)

Dosrat (Sv/h)

Vad mäter man: Absorberad dos

Utsätts man för strålning kan man tala om den energi som utvecklas

när strålningen absorberas i kroppen:

Absorberad dos = absorberad energi per massenhet (J/kg)

Istället för J/kg används Gy (Gray)

Ofta används uttrycken ”stråldos” och ”dos”

Olika typer av strålning kan ha olika skadeverkan på levande celler jämfört med den energi som överförs. Därför har man infört en korrektion för detta när man talar om risken med joniserande strålning. Efter denna korrektion kallar vi det

• EKVIVALENT DOS. Viktat för olika biologisk skadeverkan. Enhet Sievert (Sv)

• Då en Sv är ett ganska stort mått används ofta millisievert (mSv)

• Den absorberade dosen av alfastrålning och neutronstrålning är här kraftigt uppräknad genom multiplikation med en viktfaktor på 20. För beta- gamma- och röntgenstrålning gäller att den ekvivalenta dosen = den absorberade dosen.

• Vi talar även om EFFEKTIV DOS, vilken är viktad för olika organs känslighet (enhet Sv).

Vad mäter man: Ekvivalent och Effektiv dos

Dosnivåer

https://sv.wikipedia.org/wiki/Sievert

Nuklearmedicinsk undersökning ≈ 1-10 mSv

Dödlig dos ≈ 10 000 mSv

Dosnivåer

https://sv.wikipedia.org/wiki/Sievert

Nuklearmedicinsk undersökning ≈ 1-10 mSv

Dödlig dos ≈ 10 000 mSv

Aktivitetsmätare - Doskalibrator

Används för att bestämma aktiviteten i ampuller, sprutor etc.

Gasdetektor formad som en cylinder.

Ger en ström som mäts (i ampere).

Strömmen räknas om till Bq (radionukliden måste specificeras)

Mätområde från ca 100 kBq till 100 GBq.

Aktivitetsmätare - Doskalibrator

Kontaminationsinstrument

Används för att kontrollera arbetsytor, kläder mm.

* Visar pulser/s. Kan omvandlas till Bq/cm2

GM –rör eller liknande gasdetektor

Ska inte användas för att uppskatta dosrat!!

Geiger-Muller-rör

Persondosimetrar (EPD) Kalibrerad för att visa effektiv dos

Dosratsinstrument (gammastrålning)

Ofta ett GM-rör

Jonisation i en gas. Det blir en elektrisk puls (av foton som växelverkat)

- ”knäpp” i högtalare

- instrumentet räknar pulser per tidsenhet

- skalan (visare eller digitalt) graderas i mGy/h

- vissa instrument kan summera under en viss tid: ger dos (mGy).

Gammaräknare

Används för att mäta aktiviteten i små prover (blodprov etc) med

låg aktivitet (< 10 kBq).

Scintillationsdetektor (NaI-kristall). Ger en ljuspuls för varje foton

som växelverkar. Ljuspulsen omvandlas till strömpuls i ett PM-rör.

- Pulsernas storlek beror av fotonenergin (ett energispektrum kan

erhållas)

- Med ett energifönster kan man selektera pulser (som ska räknas)

- Antalet pulser under en viss tid bestäms. Anges ofta som cpm (kan

räknas om till Bq).

Många prover kan mätas automatiskt i en följd ( gammaprovväxlare).

Scintillation

Scintillation

Gammaräknare

Betaräknare - Vätskescintillationsdetektor

Används för att mäta aktiviteten av betastrålare (utan

fotoner) i små prover (blodprov etc) med låg aktivitet (< 10

kBq). Speciellt för H-3, C-14 och P-32.

Provet löses upp i en scintillatorlösning.

PM-rör registrerar ljuset (som i en NaI-kristall)

Som för gammaräknare bestäms cpm

Provväxlare för mätning av många prover.

Gammakamerans uppbyggnad

PM-rör

NaI-kristall

Kollimator

X

Y

Z

PHA

Positioneringskrets Koordinaten för varje -fotons vxv

bestäms av PM-rörens signaler

Gammakameradetektor

PM-rör

Gammakameran

Används för att

- göra en bild av radionuklidfördelningen i kroppen

- bestämma mängden (aktiviteten) av radionukliden i en viss region

(organ, tumör)

• Stor NaI kristall

• Många PM-rör (för att bestämma positionen x och y)

• Kollimator

• Pulshöjdsanalysator med energifönster

• Dator för

a) behandling av bilder

b) lagring av bilder

Gammakameran Pulshöjdsanalysator med energifönster

Bild av radionuklidfördelning

X

Y

Z

73 98

70 85

Många minuters insamlingstid för

att få tillräckligt med pulser

per pixel (per cm2).

Hur alstras en bild?

Vinkelrätt infallande fotoner kan passera genom kollimatorhålen

Fotonerna växelverkar i kristallen

PM rören ger en x och y koordinat för händelsen (och energiinnehåll)

Godkända händelser (rätt energi) ger en puls som lagras i ett minne.

Många tusen händelser (counts) samlas in en bildmatris

Innehållet i bildmatrisen kan kodas till grå- eller färgskalor för visning på

en skärm

Grå- eller färgskalan kan ändras kontinuerligt (”rattas”) för att underlätta

bedömningen av bilden

Antalet counts i olika pixel kan avläsas

Kollimatorns uppbyggnad

Hållängd ≈ 40 mm

Hålstorlek 2-5 mm

Skalenligt

Septum

tjocklek 0.2-2 mm

Q uickTime och enTIFF (okomprimerat ) - dekompr imerare

krävs f ör at t kunna se bilden.

Kollimatorns egenskaper

Förstoring - hur stor blir bilden i kristallen?

Känslighet - hur stor andel av utsända fotoner passerar genom hålen?

Upplösning (geometrisk) - hur bred blir linjen i kristallen?

Upplösning som funktion av avståndet

0

5

10

C

15

20

25

0 5 10

Avstånd (cm)

Hållängd 40 mm

b = 5 mm

C

D

15 20 25

a = 4 mm

a= 2 mm

Upplösning (mm)

Spatsiell Upplösning- FWHM

Lågenergikollimatorer

Kollimator Effektivitet FWHM på 10 cm

Högupplösande HR 1,8 10-4 7,4

General purpose GP 2,7 10-4 9,0

Högkänslig HS 5,7 10-4 13,2

Standardkollimatorer

Parallellhåls Septumtjocklek

Lågenergi < 150 keV ca 0,3 mm

Medelenergi 150-300 keV ca 1 mm

Högenergi 300-400 keV ca 5 mm

Härledning av egenskaper hos pinhålskollimatorn

L

Z

Förstoring:

f= L/Z

Effektivitet:

G= a2 cos3 / 16 Z2

Scanningkollimator

Divergerande i en riktning

Allmänna insamlingsparametrar

Matrisstorlek:

I regel 64x64, 128x128, 256x256 eller 512x512

Grundregel: pixelstorlek < 1/3 FWHM.

Energifönster:

Peak värde och bredd anges.

T ex peak 140 keV, fönsterbredd 15 %

Flera energier hos en radionuklid

T ex 111In: 172 och 247 keV

2 bilder eller direkt en summa-bild

Två radionuklider

2 bilder

Bild 1 Bild 2

130 -150 keV

Insamlingstid

Statisk-planar:

Tid för en bild eller counts/bild

Scanning: Scanninglängd och scanninghastighet

Ex 2m, 10 min/m

Dynamisk studie:

Antal bilder, tid per bild (fler faser kan definieras)

Ex. Fas 1: 30 bilder a 10s Fas 2: 20 bilder a 30s

Tomografi:

Antal projektioner, tid per projektion, del av varv (360°

eller 180°)

Ex: 128 projektioner, 15s/projektion, 360°

Flerhuvudsystem Två detektorer

Scanning

Helkropps-SPECT

Hjärt-SPECT

(90° rotation)

Flerhuvudsystem

Tre detektorer

SPECT av helkropp

Egenskaper hos en gammakamera Fysikaliska/tekniska prestanda

• Antal detektorhuvuden

• Synfält

• Känslighet

• Geometrisk upplösning

• Energiupplösning

• Uniformitet

Forts. egenskaper hos gammakameran

Handhavande

• Inställning av avstånd, vinklar osv

• Britsens utformning

• Programvara

etc

Kollimatorer

Parallellhåls (avbildar i skala 1:1)

Lågenergi < 150 keV ca 0,3 mm

Medelenergi 150-300 keV ca 1 mm

Högenergi 300-400 keV ca 5 mm

Lågenergi finns i olika varianter (olika stora hål, hållängd ≈ 40 mm)

Relativ känslighet Relativ upplösning (FWHM)

Högupplösande HR ≈0,5 ≈0,7

General purpose GP 1 1

Högkänslig HS ≈2 ≈1,4

Andra kollimatorer:

Pinhole – förstorar, ger bra upplösning och känslighet för små avstånd och små organ

Konvergerande – förstorar lite grand

Fan-beam – förstorar vid SPECT

Ny Teknik

Gammakamera:

Multipla fokuserade detektorer

Ny Teknik

Gammakamera:

Multipla fokuserade detektorer

• Ny Teknik

• Gammakamera:

• Multipla fokuserade detektorer

• Ny Teknik

• Gammakamera:

• Fokuserade detektorer

Hybridkamera

SPECT/CT

generation I.

Röntgenrör monterat

på gammakameran

Fusion av CT och SPECT bild

Kombinerad

röntgen och

gammakamera

Hybridkameror

SPECT/CT - generation II

Diagnostisk CT

Fusion av SPECT och CT bild

Kombinerad

röntgen och

gammakamera

Fusion av CT och SPECT bild

Nuklearmedicin Diagnostik.

Ny Teknik

Gammakamera:

Scintillationskristaller/PM-rör ->

Halvledardetektorer

Teknik

Gammakameran:

Scint.kristall/PM-rör

-> Halvledardetektorer

ex CTZ (Cadmium zinc telluride)

PET-kamera

2018-10-11 49

Postronemitterande radionuklider

Helt organiska molekyler märkta med de

positronstrålande isotoperna av kol, kväve eller

syre kan användas som tracers

2018-10-11 50

Nuklid Halveringstid C-11 20.3 min N-13 10 min O-15 124 sek F-18 110 min

e.g., 18F 18O + e+ +

b+ sönderfall

ZAXNZ1

AYN1 e

+

2018-10-11 51

Postronemitterande radionuklider

Nuclide Half

life

(min)

Positron

yield

(%)

Max

energy

(MeV)

Method of

production

11C 20.4 99.0 0.960 cyclotron

13N 9.96 100.0 1.190 cyclotron

18F 110 97.0 0.635 cyclotron

15O 2.04 99.9 1.720 cyclotron

82Rb 1.27 96.0 3.350 generator

62Cu79 9.8 98.0 2.930 generator

68Ga 68.1 90.0 1.900 generator

2018-10-11 52

Cyklotronproducerade PET-isotoper

Vanligast: F-18

2018-10-11 53

Generatorproducerade PET-isotoper

T ex : Ge-68, Ru-82

2018-10-11 54

Fluorodeoxyglucose

F-18 FDG, - Fluorodeoxyglucose är den vanligaste

substansen vid PET-undersökningar.

- Tillräckligt lång halveringstid för att vara möjlig

att transportera.

- Hög sensitivitet (dock begränsad specificitet) vid

ett stort antal tumörsjukdomar

2018-10-11 55

F-18 FDG, en socker-molekyl

D–Glucose 2–Fluoro–2–Deoxy–D–Glucose

O

CH2OH

OH

OH

OH HO

O

CH2OH

OH

18F

OH HO

Glucose

transporter

protein

K3

K4

Hexokinase

Tumor Cell

Glucose-6-

phosphatase

18FDG-1-P

Glycogen

18F-fru-6-P

Glycolysis

18FDG-

6-

phosph

o-

glucono

-lactone

HMP

shunt

18FDG

Vascular

K1

K2

18FDG 18FDG-6P

2018-10-11 57

POSITRON ANNIHILATION

• Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation.

• Annihilation process conserves:

- Energy (photons are 511KeV).

- Momentum (photons are almost exactly colinear).

• Simultaneous detection of two 511KeV photons --> event along

line between detectors. (Line Of Response, “LOR” )

b

b

~1-3mm 511KeV

511KeV

2018-10-11 58

β+ sönderfall

• A positron having released all its kinetic energy may form a

positronium

• Then an electron and a positron rotate around their center of mass

n e-

e+

Positronium

Annihilation

Disintegration

Positron fly over

positron range γ1 (511 keV)

γ2 (511 keV)

± 0.5° Colinearity

Depending on the spin, we characterize para- (spin 1/2) and ortho- (spin 3/2) positronium.

In water, around 33% of positron evolve to a positronium, 3/4 will be orthopositronium.

The period of disintegration for positronium is around 10-7s.

Source : Valk et Al. Eds “Positron emission tomography : Basic science and clinical practice”

PET-kamera PET - Positron emission tomography

PET-kameran har hög upplösning jmfrt med gammakameran.

Detta är möjligt genom att detektorn är uppbyggd av ett stort antal

små detektorelement.

56 Cassettes Assembled to Form Detector Ring

Blockdetektorn

Blockdetektorn består av en kvadratisk kristall som är försedd med

delvis genomsågade springor vilka fylls med ett reflekterande

material. På så sätt erhålls t ex 169 detektorelement i varje block.

Bakom detektorblocket sätts sedan 4 fotomultiplikatorer och genom

att signalens storlek från varje enskild fotomultiplikator vägs

samman kan den lokaliseras till ett enskilt detektorelement.

Imaging components

• 169 crystal elements

per detector block

• 4 x 4 x 20 mm

crystals

• 4 photomultiplier

tubes (PMTs) per

detector block

Detector block

PMT

Detector module

Channeled

scintillation light

PET/CT – två system, två modaliteter

PET CT

2018-10-11 63

Time-of-flight (TOF)

Man kan mäta skillnaden i tid för fotonernas

ankomst till detektorn och på så sätt

förbättra positioneringen av

annihilationshändelsen.

Metoden kallas time-of-flight (TOF) och

finns implementerat i en del PET-system.

PET/CT

AFOV [ cm ] 0 5 10 15 20 25

Sensitivity/slice

[ kcps/KBq/slice ]

5

10

15

20

25

30

35

0

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

#1 #2 #3 #4 #5 #6

Överlapp krävs mellan varje insamlad

bedposition då känsligheten är lägre i kanterna

Bildtagning

PET kamerans fördelar jfr med

gammakameran

• Ger bättre upplösning än gammakameran, ca 5 mm

jfr med ca 10 mm

• Det finns en bra tumörsökande substans, FDG, där

radionukliden, F-18 är en positronstrålare

• Isotoper av C, N och O finns som positronstrålare

men ej som gammastrålare. Helt organiska molekyler

kan användas - speciellt viktigt inom forskning.

Nackdel: Cyklotron måste finnas i närheten p g a kort

halveringstid på F-18, C-11, N-13 och O-15.

2018-10-11

Halvvärdestjocklek

Strål-källa

Foton-energi (kVe)

HLV Bly (mm)

HVL plexiglas

(mm)

I-123 28 0,015 1,74

Tl-201 80 0,26 33

Tc-99m 140 0,27 40

In-111 175,247 0,9 50

I-131 364 2,22 56

F-18 511 4 70

2018-10-11

Halvvärdestjocklek

2018-10-11

Halvvärdestjocklek

Nuklearmedicin, Sahlgrenska februari 2008

Nuklearmedicin, Sahlgrenska februari 2008

2018-10-11 72

Lästips - PET

Nuklearmedicin – Sten Carlsson 2007

http://www.sfnm.se/e-bok-nuklearmedicin/

Cyklotron: sid 25

PET-kameran: sid 77 tom 83

PET - Wikpedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography

http://en.wikipedia.org/wiki/PET_scanner